El universo se está expandiendo; Hemos tenido evidencia de eso durante aproximadamente un siglo. Pero la rapidez con la que los objetos celestes se alejan unos de otros aún está en debate.
No es poca cosa medir la velocidad a la que los objetos se alejan unos de otros a lo largo de grandes distancias. Desde el descubrimiento de la expansión cósmica, su tasa se ha medido y vuelto a medir con una precisión cada vez mayor, con algunos de los últimos valores que van desde 67,4 hasta 76,5 kilómetros por segundo por megaparsec, lo que relaciona la velocidad de recesión (en kilómetros por segundo) con la distancia (en megaparsecs).
La discrepancia entre las diferentes mediciones de la expansión cósmica se denomina «tensión de Hubble». Algunos lo han llamado una crisis en la cosmología. Pero para el astrofísico teórico de la Universidad de California en Santa Bárbara, Tejaswi Venumadhav Nerella, y sus colegas del Instituto Tata de Investigación Fundamental en Bangalore, India, y el Centro Interuniversitario de Astronomía y Astrofísica en Pune, India, es un momento emocionante.
Desde la primera detección de ondas gravitacionales en 2015, los detectores se han mejorado significativamente y están preparados para generar una gran cantidad de señales en los próximos años. Nerella y sus colegas han ideado un método para usar estas señales para medir la expansión del universo y quizás ayudar a resolver el debate de una vez por todas. «Un objetivo científico importante de los futuros detectores es ofrecer un catálogo completo de eventos de ondas gravitacionales, y este será un uso completamente novedoso del notable conjunto de datos», dijo Nerella, coautor de un artículo publicado en Cartas de revisión física.
Las mediciones de la tasa de expansión cósmica se reducen a velocidad y distancia. Los astrónomos usan dos tipos de métodos para medir distancias: el primero comienza con objetos con una longitud conocida («reglas estándar») y observa qué tan grandes aparecen en el cielo. Estos «objetos» son características de la radiación cósmica de fondo o de la distribución de las galaxias en el universo.
Una segunda clase de métodos comienza con objetos de luminosidad conocida («velas estándar») y mide sus distancias a la Tierra utilizando su brillo aparente. Estas distancias están conectadas con las de objetos más lejanos y brillantes, y así sucesivamente, lo que crea una cadena de esquemas de medición que a menudo se denomina «escalera de distancia cósmica». Por cierto, las propias ondas gravitacionales también pueden ayudar a medir la expansión cósmica, ya que la energía liberada por la colisión de estrellas de neutrones o agujeros negros se puede utilizar para estimar la distancia a estos objetos.
El método que proponen Nerella y sus coautores pertenece a la segunda clase pero utiliza lentes gravitacionales. Este es un fenómeno que ocurre cuando los objetos masivos deforman el espacio-tiempo y doblan ondas de todo tipo que viajan cerca de los objetos. En casos raros, la lente puede producir múltiples copias de la misma señal de onda gravitacional que llega a la Tierra en diferentes momentos: los retrasos entre las señales para una población de múltiples eventos en imágenes se pueden usar para calcular la tasa de expansión del universo, según los investigadores.
«Entendemos muy bien cuán sensibles son los detectores de ondas gravitacionales, y no hay fuentes astrofísicas de confusión, por lo que podemos dar cuenta adecuadamente de lo que entra en nuestro catálogo de eventos», dijo Nerella. «El nuevo método tiene fuentes de error que son complementarias a las de los métodos existentes, lo que lo convierte en un buen discriminador».
Las fuentes de estas señales serían agujeros negros binarios: sistemas de dos agujeros negros que orbitan entre sí y finalmente se fusionan, liberando cantidades masivas de energía en forma de ondas gravitacionales. Todavía no hemos detectado ejemplos de estas señales con lentes fuertes, pero se espera que la próxima generación de detectores terrestres tenga el nivel necesario de sensibilidad.
«Esperamos la primera observación de ondas gravitacionales con lentes en los próximos años», dijo el coautor del estudio, Parameswaran Ajith. Además, estos futuros detectores deberían poder ver más lejos en el espacio y detectar señales más débiles.
Los autores esperan que estos detectores avanzados comiencen su búsqueda de agujeros negros fusionados en la próxima década. Anticipan registrar señales de unos pocos millones de pares de agujeros negros, una pequeña fracción (alrededor de 10,000) de los cuales aparecerá varias veces en el mismo detector debido a la lente gravitatoria. La distribución de los retrasos entre estas apariciones repetidas codifica la tasa de expansión del Hubble.
Según el autor principal, Souvik Jana, a diferencia de otros métodos de medición, este método no se basa en conocer las ubicaciones exactas o las distancias a estos agujeros negros binarios. El único requisito es identificar con precisión un número suficientemente grande de estas señales con lentes. Los investigadores añaden que las observaciones de las ondas gravitacionales con lentes pueden incluso proporcionar pistas sobre otras cuestiones cosmológicas, como la naturaleza de la materia oscura invisible que constituye gran parte del contenido energético del universo.
